EP2550229A1 - Vorrichtung und verfahren zur rotatorischen ausrichtung eines tubenkopfes relativ zu einem tubenkörper - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur rotatorischen ausrichtung eines tubenkopfes relativ zu einem tubenkörper

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EP2550229A1
EP2550229A1 EP11714485A EP11714485A EP2550229A1 EP 2550229 A1 EP2550229 A1 EP 2550229A1 EP 11714485 A EP11714485 A EP 11714485A EP 11714485 A EP11714485 A EP 11714485A EP 2550229 A1 EP2550229 A1 EP 2550229A1
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EP
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tube head
correlation
tube
tube body
signal
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Packsys Global Switzerland Ltd
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Definitions

  • Tube head relative to a tube body
  • the present invention relates to a device for automated rotational alignment of a tube head relative to a tube body according to the preamble of the main claim and a method for rotational alignment, in particular for operating such a device.
  • a (typically provided in the manner of a cap) tube head in a predetermined direction of rotation to the (cross-sectionally flat or oval) tube body.
  • a typical example of this is, for example, aligning a grip section provided on the tube head with a printing on the flat side of the associated tube body, wherein the desired positive optical impression is achieved when this grip section is approximately centered on the typeface.
  • a two-part tube head 16 which is intended to be rotationally aligned (typically with a closure lid 17 connected via a film hinge, as shown in FIG. 7) has a cylindrical base contour and forms a manual actuation section 21, which in the plan view of FIG. 6 appears as a flattening.
  • This deviation from a pure rotational symmetry makes use of the known technology in that, in the manner of a position indicator, this section is detected by means of a laser beam (within an optical light barrier structure) and thus the correct rotational position is determined
  • FIG. 6 illustrates an idealized signal profile of this light barrier sensor.
  • the object of the present invention is therefore to improve a device for rotational alignment of a tube head relative to a tube body in view of a simplified and more reliable position detection of a tube head, with the purpose, as a result of the position detection a simpler and faster merging of tube head and tube body enable. Also, a change of different tube head types should be possible more easily and without increased calibration effort, and there is generally an improved error and reject rate in the automated tube production, especially in automated, aligned merging of tube head and tube body to achieve.
  • the sensor means for detecting a current rotational position of the tube head are designed such that they emit a detection signal corresponding to a circumferential rotational movement of the tube head and this detection signal is subsequently correlated with a reference signal. From this correlation result can then be determined in a very reliable and specializedsinsensitiver an absolute rotational position of the desired position indicator (ie typically the handle portion or a hinge), which then turn the exact subsequent alignment can be done by rotary motion.
  • the desired position indicator ie typically the handle portion or a hinge
  • the reference signal for example within the same apparatus arrangement
  • a suitably predetermined or stationary reference object such as an idealized tube head
  • it is possible to access a predetermined reference signal existing, for example, as a predetermined data record in a suitably electronically stored form
  • a predetermined reference signal existing, for example, as a predetermined data record in a suitably electronically stored form
  • the inventive rotary relative movement between the tube head and to realize tube body characterized in that rotatably fixed tube head to be aligned to the tube body is rotated into the appropriate position.
  • the entire present description is to be applied as analogous to this possible constellation of the invention or suitably adapted.
  • the detection signal generated according to the invention can, ideally according to the detection requirements for a respective tube head, be arbitrarily selected and be both optical sensors (ie light barriers, image sensors or others), inductive or capacitive sensors or ultrasonic sensors, as long as a position indicator can be properly detected at the tube head.
  • the detection signal recorded according to the invention as a continuous signal (or as a sequence of suitable discrete or suitably quantified individual signals) is then correlated in an otherwise known manner with the reference signal, the result of the correlation being a functional relationship (typically along the time course) which is a functional maximum training.
  • This maximum function and its position is then the basis for determining the desired relative rotational position of the tube head to be measured and basis for the subsequent rotational positioning of the tube head relative to the tube body in the desired alignment position.
  • the term "functional maximum” is not to be understood as limiting the invention, but it is equally possible to identify another, characteristic of the correlation characteristic or a variable along the correlation function, such as a correlation minimum, from which also then
  • a "correlation" in the context of the present invention is not necessarily an operation which accounts for a complete measurement curve (corresponding to one revolution), but rather can also be based on a (suitably selected) section of this correlation according to the invention , While it is preferred on the one hand within the scope of the invention to carry out the correlation according to the invention on the basis of a (limited) number of discrete individual values of the detection signal (or the reference signal), at least 10 individual values being correlated to achieve a desired position accuracy within the scope of a preferred development of the invention Similarly, it is equally
  • the present invention makes it possible to realize a rotational position detection of a tube head, with the possibility of effecting a subsequent mechanical merging of the tube head with a tube body in an aligned manner quickly, with a low reject rate and flexibly to be able to.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of the device for the automatic rotational alignment of a tube head relative to a tube body in the context of a machine context according to a first preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram for illustrating the inventive
  • 3b shows measured values of a simplified example listed in tabular form as well as an associated diagram over time for a reference curve of a reference tube head 3a or of a measured idealized tube head 3b;
  • FIG. 4 shows a list of the resulting from a correlation of the measurement series of FIG.
  • 3a, 3b determined correlation coefficients and the correlation maximum visible therein;
  • FIG. 6 shows a schematic representation to illustrate a light barrier detection for the tube head position determination from the prior art
  • FIG. 7 shows an illustration of a tube head with an engagement region as a position indicator of the tube head.
  • FIG. 1 illustrates the essential functional components of a device for automatically rotational alignment of a tube head relative to a fixed tube body according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 Schematically illustrates the function block 10 a (static) holder for a corresponding rotatory positionally held tube body.
  • a tube head 16 held rotatably relative to this is a tube head 16, which in a suitable alignment and drive unit 12 as a positioning means is held and can be rotated about a (vertical) axis of rotation, that the tube head 16 can be positioned in a predetermined rotational position to the tube body 14 and subsequently placed in this position.
  • the tube head is in the embodiment shown in two parts made of lid portion 17 and outlet portion 19 with intermediate (not shown) film hinge; a handle portion 21 for opening the lid serves equally as a position indicator.
  • the positioning means 12 essentially comprising a suitably connected rotary rotary drive (not shown), are adapted to set the tube head 16 (cap) in the manner shown in Fig. 1 in a revolving rotation, wherein the lateral contour (mantle) of a laser-based sensor unit 18 is scanned continuously.
  • the correspondingly digitized or quantified signal of the sensor 18 (obtained from the laser beam 15 continuously reflected on the shell of the tube head) is then processed by a central control and processing unit 22, in particular correlated with reference data in the manner to be described hereinafter, from the Result of this correlation then a control signal for driving or driving means 20 is obtained, which in turn set the positioning means 12 in the desired rotational position, as explained above.
  • a control signal for driving or driving means 20 is obtained, which in turn set the positioning means 12 in the desired rotational position, as explained above.
  • the signal level curve "Y value" of FIG. 3b plotted over time (as the X value and corresponding to one complete revolution of the tube head (cap) 16), corresponds to a typical signal course, as in the case of a cap of FIG
  • the opening section 21 generates the signal maximum (level V) at time 8, which is outside this area 21.
  • the measured values have a significantly lower amplitude (levels between 2 and 4V).
  • the recognizable correlation maximum of FIG. 4 provides an indication as to how to rotate the tube head 16 relative to the fixed tube body 14 by means of the units 12 and 20 in order to obtain the desired rotational positioning.
  • the illustrated example calculation or the formula given above is to be considered as merely exemplary;
  • the invention encompasses all methods for determining a correlation which depict the degree of correspondence or a relationship between the value curves to be compared (over the course of time as representative of approximately one complete revolution), wherein, in addition to correlation methods, also other methods are used (complex) pattern recognition, based on the total signal or a partial signal, od. Like. Coming into consideration.
  • the value of 10 (as a resolution for a complete revolution in the illustrated time course) is considered to be greatly simplified and to be considered as an example; in the preferred case, at least 100 individual values should be determined around a circumference of the circumference of the head and then correlated accordingly; preferred embodiments use a time of individual values> 200, ideally also> 300, in order to enable the most accurate and error-insensitive position determination.
  • the present invention is not limited to the active rotation of the tube head relative to the (fixed) tube body. Rather, it is equally encompassed by the present invention to position a tube head in an otherwise known and easy to implement manner to capture and move the tube body in its relative position by suitable sensor means and so also the desired, rotationally accurate positioning of the partners to each other cause.
  • a suitable mark on a tube body for such a circulating-analog measurement is suitable, as well as about a possibly existing label or the like. Marker, which can be detected to determine a current tube position and stored digitized in the manner described above, to be subsequently correlated with a reference signal.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes (16) relativ zu einem bevorzugt feststehenden Tubenkörper (14), mit Sensormitteln (18) zum Erfassen einer aktuellen Drehposition des einen Positionsindikator (21) aufweisenden Tubenkopfes oder Tubenkörpers, und mit den Sensormitteln zusammenwirkenden Positionierungsmitteln (12, 20), die zum Bewirken einer Drehbewegung des Tubenkopfes oder des Tubenkörpers als Reaktion auf ein Steuersignal einer Steuereinheit (22) ausgebildet sind, wobei die Sensormittel zum Erzeugen eines einer umlaufenden Drehbewegung des Tubenkopfes oder Tubenkörpers entsprechenden Erfassungssignals ausgebildet sind und die Steuereinheit Mittel zum Korrelieren (24) des Erfassungssignals mit einem Referenzsignal und zum Erzeugen eines Steuersignals aus einem einem Grad der Korrelation entsprechenden Kennwert, insbesondere einem Korrelationsmaximum oder Korrelationsminimum, für die Positionierungsmittel aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur rotatorischen Ausrichtung eines
Tubenkopfes relativ zu einem Tubenkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes relativ zu einem Tubenkörper nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur rotatorischen Ausrichtung, insbesondere zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Im Stand der Technik, insbesondere im Zusammenhang mit der Tubenfertigung im Nahrungsmittel- oder Kosmetikbereich, besteht das Bedürfnis, einen (typischerweise in der Art einer Verschlusskappe vorgesehenen) Tubenkopf in einer vorbestimmten Drehrichtung zum (querschnittlich flachen bzw. ovalen) Tubenkörper auszurichten. Ein typisches Beispiel hierfür ist etwa das Ausrichten eines am Tubenkopf vorgesehenen Griffabschnitts zu einer Bedruckung auf der Flachseite des zugehörigen Tubenkörpers, wobei der gewünschte positive optische Eindruck dann erzielt wird, wenn dieser Griffabschnitt etwa mittig auf das Schriftbild ausgerichtet ist. Hierfür ist es notwenig, vor dem (typischerweise automatisierten) Aufsetzen des Tubenkopfes auf den Tubenkörper eine Ausrich- tung des Tubenkopfes in der gewünschten Weise vorzunehmen.
Aus dem Stand der Technik ist es dabei bekannt, lichtschrankenbasierte Lösungen einzusetzen. Am Beispiel der Fig. 6 zum Stand der Technik wird dieses Vorgehen erläutert. Ein bestimmungsgemäß rotatorisch auszurichtender zwei- geteilter Tubenkopf 16 (typischerweise mit einem über ein Folienscharnier angebundenen Verschlussdeckel 17, wie in Fig. 7 gezeigt) weist eine zylindrische Grundkontur auf und bildet einen Angriffsabschnitt 21 für die manuelle Betätigung aus, welcher in der Draufsicht der Fig. 6 als Abflachung erscheint. Diese Abweichung von einer reinen Rotationssymmetrie macht sich die bekannte Technologie dadurch zu nutze, dass in der Art eines Positionsindikators dieser Abschnitt mittels eines Laserstrahls (innerhalb eines optischen Lichtschran- kenaufbaus) erfasst wird und so die korrekte Drehposition festgestellt werden
BESTÄTSGUMGSKOPIE kann. Die Fig. 6 verdeutlicht einen idealisierten Signalverlauf dieses Lichtschrankensensors.
In der weiteren Verarbeitung sieht dann der Stand der Technik vor, dass ein Abgleich der so gewonnenen Tubenkopfposition mit der Position des Tubenkörpers erfolgt, in geeigneter Weise ein die ausrichtende Drehbewegung bewirkender Servomotor angesteuert wird und nachfolgend in ansonsten bekannter Art der Tubenkopf (als Kappe) auf den Tubenkörper gepresst wird. Allerdings ist in der Produktionspraxis selten ein derart idealisierter Signalverlauf zu erhalten, hinzu kommt, dass verschiedene Tubentypen oftmals auch verschiedene Anforderungen an die Erfassung eines Positionsindikators stellen (so ist dieser oftmals nicht oder nur schlecht in der Art der in Fig. 6 gezeigten Abflachung vorhanden, sondern etwa als schwierig detektierbares Scharnier od.dgf.). Auch reagiert die bekannte Technologie oftmals empfindlich auf (beabsichtigte oder unbeabsichtigte) Abweichungen von einer idealen Umfangsform; so können schlecht zentrierte oder mit Toleranz hergestellte Kappen zu fehlerhafter Detektion führen, ebenso wie eine ovale Querschnittsform eines Tubenkopfes zu Schwierigkeiten einer genauer Positionsermittlung in der oben be- schriebenen Vorgehensweise führt. Entsprechend ist daher bei bekannten Vorgehensweisen erhöhter Einstell-, Kalibrierungs- und Auswerteaufwand notwendig, mit den damit verbundenen Nachteilen für schnelle Taktzeiten, kurze Um- rüstzeiten oder geringe Fehler- bzw. Ausschussquoten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes relativ zu einem Tubenkörper im Hinblick auf eine vereinfachte und zuverlässigere Positionserfassung eines Tubenkopfes zu verbessern, mit dem Zweck, als Ergebnis der Positionserfassung ein einfacheres und schnelleres Zusammenführen von Tubenkopf und Tubenkörper zu ermöglichen. Auch soll ein Wechsel verschiedener Tubenkopftypen einfacher und ohne erhöhten Kalibrierungsaufwand möglich sein, und es ist generell eine verbesserte Fehler- und Ausschussquote in der automatisierten Tubenfertigung, insbesondere im automatisierten, ausgerichteten Zusammenführen von Tubenkopf und Tubenkörper, zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptan- spruchs sowie das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Sensormittel zum Erfassen einer aktuellen Drehposition des Tubenkopfes so ausgebildet, dass diese ein einer umlaufenden Drehbewegung des Tubenkopfes entsprechendes Erfassungssignal ausgeben und dieses Erfassungssignal nachfolgend mit einem Referenzsignal korreliert wird. Aus diesem Korrelationsergebnis lässt sich dann in sehr zuverlässiger und störungsinsensitiver Weise eine absolute Drehposition des gewünschten Positionsindikators (also typischerweise des Griffabschnitts oder eines Scharniers) ermitteln, womit dann wiederum die exakte nachfolgende Ausrichtung per Drehbewegung erfolgen kann.
Dabei ist es einerseits bevorzugt und im Rahmen der Erfindung vorgesehen, das Referenzsignal (etwa im Rahmen derselben apparativen Anordnung) auf einem geeignet vorbestimmt positionierten bzw. in seiner Relativposition zu einem Tubenkörper feststehenden Referenzobjekt (etwa einem idealisierten Tubenkopf) zu ermitteln. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, auf ein vorbestimmtes Referenzsignal (etwa existierend als vorbestimmter Datensatz in ge- eignet elektronisch gespeicherter Form) zuzugreifen, wobei es hier insbesondere auch vorteilhaft ist, für eine Vielzahl von verschiedenen, jeweils an einer Anlage einzusetzenden bzw. zu positionierenden Tubenkopftypen die jeweiligen Datensätze zum schnellen Zugriff vorzuhalten. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung wird zwar in der Art einer bevorzugten Ausführungsform auf das Durchführen einer Drehbewegung am Tubenkopf abgestellt. Gleichermaßen ist es jedoch von der Erfindung umfasst und möglich, die erfindungsgemäße Dreh-Relativbewegung zwischen Tubenkopf und Tubenkörper dadurch zu realisieren, dass bei rotatorisch fixem Tubenkopf der dazu auszurichtende Tubenkörper in die geeignete Position gedreht wird. Insoweit ist die gesamte vorliegende Beschreibung als analog auf diese mögliche Erfindungskonstellation anzuwenden bzw. geeignet anzupassen.
Bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es, das erfindungsgemäß erzeugte Erfassungssignal als zeitabhängiges Signal aufzunehmen, wobei der Zeitverlauf der umlaufenden Drehbewegung entspricht. Die Sensormittel selbst können, idealerweise entsprechend den Detektionserfordernissen für einen jeweiligen Tubenkopf, beliebig gewählt sein und sowohl optische Sensoren (also etwa Lichtschranken, Bildaufnahmesensoren oder andere), induktiv oder kapazitiv wirkende Sensoren oder Ultraschallsensoren sein, solange ein Positionsindikator am Tubenkopf tauglich erfasst werden kann. Das erfindungsgemäß aufgezeichnete Erfassungssignal als kontinuierliches Signal (bzw. als Abfolge geeigneter diskreter bzw. geeignet quantifizierter Einzelsignale) wird dann in ansonsten bekannter Weise mit dem Referenzsignal korreliert, wobei das Ergebnis der Korrelation ein (typischerweise entlang des Zeitverlaufs) funktionaler Zusammenhang ist, der ein Funktionsmaximum aus- bildet. Dieses Funktionsmaximum und dessen Position (etwa im zeitlichen Verlauf) ist dann Grundlage für das Feststellen der gesuchten relativen Drehposition des zu vermessenden Tubenkopfes und Basis für das nachfolgende Dreh- Positionieren des Tubenkopfes relativ zum Tubenkörper in die gewünschte Ausrichteposition. Dabei ist der Begriff„Funktionsmaximum" nicht als beschränkend für die Erfindung zu verstehen, vielmehr ist es gleichermaßen möglich, einen anderen, für die Korrelation charakteristischen Kennwert bzw. eine Größe entlang der Korrelationsfunktion zu identifizieren, wie etwa ein Korrelationsminimum, aus welchem sich ebenso dann das gewünschte Steuersignal für die vorzunehmende Drehbewegung ableiten lässt. Dabei ist eine „Korrelation" im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise eine Operation, die eine vollständige Messkurve (entsprechend einem Umlauf) verrechnet, vielmehr kann auch ein (geeignet ausgewählter) Ausschnitt dieser erfindungsgemäßen Korrelation zugrundeliegen. Während es einerseits im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist, das erfindungsgemäße Korrelieren auf der Basis einer (begrenzten) Anzahl diskreter Einzelwerte des Erfassungssignals (bzw. des Referenzsignals) vorzunehmen, wobei zum Erreichen einer gewünschten Positionsgenauigkeit im Rahmen einer bevorzugter Weiterbildung der Erfindung mindestens 10 Einzelwerte korreliert werden sollten, ist es gleichermaßen von der Erfindung umfasst, das Korrelieren auf der Basis analoger Signalverläufe vorzunehmen. Generell ist es ein Optimierungsproblem zwischen dem erforderlichen Rechenaufwand (der wiederum abhängig ist von der Anzahl der korrelierten Einzelsignale bzw. der Auflösung der zu betrachtenden Funktionen) und der gewünschten Auflösungsgenauigkeit in Drehrichtung, um eine möglichst hohe beabsichtigte Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitig möglichst genauer Positionsdetektion zu erreichen. Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und zuverlässiger Form das Realisieren einer Drehpositionserfassung eines Tubenkopfes (bzw. eines Tubenkörpers), mit der Möglichkeit, ein nachfolgendes maschinelles Zusammenführen des Tubenkopfes mit einem Tubenkörper in einer ausgerichteten Weise schnell, mit geringer Ausschussrate und flexibel bewirken zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 : ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung zur automatischen rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes relativ zu einem Tubenkörper im Rahmen eines Maschinenkontexts gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2: ein Schemadiagramm zum Verdeutlichen des erfindungsgemäßen
Erfassens einer aktuellen Drehposition eines Tubenkopfes durch die Sensormittel in Form eines kontinuierlich abgetasteten Umlaufs; Fig. 3a,
Fig. 3b: tabellarisch aufgelistete Messwerte eines vereinfachten Beispiels sowie ein zugehöriges Diagramm im Zeitablauf für eine Referenzkurve eines Referenz-Tubenkopfes (3a) bzw. eines gemessenen idealisierten Tubenkopfes (3b);
Fig. 4: eine Auflistung der aus einer Korrelation der Messreihen gemäß Fig.
3a, 3b ermittelten Korrelationskoeffizienten sowie das darin erkennbare Korrelationsmaximum;
Fig. 5a,
Fig. 5b: Modifikationen der Datenreihen gemäß Fig. 3b mit Messfehlern bzw.
vom idealen Messwertverlauf abweichenden Messwerten und deren Einfluss auf die Korrelation zum Verdeutlichen der Fehlertoleranz der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6: eine Schemadarstellung zum Verdeutlichen einer Lichtschranken- Erfassung zur Tubenkopf-Positionsbestimmung aus dem Stand der Technik und
Fig. 7: eine Darstellung eines Tubenkopfes mit Eingriffsbereich als Positionsindikator des Tubenkopfes.
Das schematische Blockschaltbild der Fig. 1 verdeutlicht die wesentliche Funktionskomponenten einer Vorrichtung zur automatischen rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes relativ zu einem feststehenden Tubenkörper gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Schematisch verdeutlich dabei der Funktionsblock 10 eine (statische) Halterung für einen entsprechend rotatorisch positionsfest gehaltenen Tubenkörper. Rotatorisch beweglich relativ zu diesem gehalten ist ein Tubenkopf 16, welcher in einer geeigneten Ausrichte- und Antriebseinheit 12 als Positionierungsmittel gehalten ist und so um eine (vertikale) Drehachse gedreht werden kann, dass der Tubenkopf 16 in einer vorbestimmten Drehposition zum Tubenkörper 14 positioniert und nachfolgend in dieser Position aufgesetzt werden kann. In der näher in Fig. 7 gezeigten Art und Weise ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Tubenkopf zweiteilig bestehend aus Deckelabschnitt 17 und Auslassabschnitt 19 mit zwischenliegendem (nicht gezeigten) Folienscharnier gefertigt; ein Griffabschnitt 21 zum Öffnen des Deckels dient gleichermaßen als Positionsindikator. Die Positionierungsmittel 12, im Wesentlichen aufweisend einen geeignet geschalteten rotatorischen Drehantrieb (nicht gezeigt), sind ausgebildet, den Tubenkopf 16 (Kappe) in der in Fig. 1 gezeigten Weise in eine umlaufende Rotation zu versetzen, wobei die seitliche Kontur (Mantel) von einer auf Laserbasis wirkenden Sensoreinheit 18 kontinuierlich abgetastet wird.
Das entsprechend digitalisierte bzw. quantifizierte Signal des Sensors 18 (gewonnen aus dem kontinuierlich am Mantel des Tubenkopfes reflektierten Laserstrahl 15) wird dann von einer zentralen Steuer- und Verarbeitungseinheit 22 verarbeitet, insbesondere in nachfolgend hier noch zu beschreibender Weise mit Referenzdaten korreliert, wobei aus dem Ergebnis dieser Korrelation dann ein Steuersignal für Antriebs- bzw. Treibermittel 20 gewonnen wird, die wiederum die Positionierungsmittel 12 in die gewünschte Drehposition, wie oben erläutert, versetzen. Diese Vorgehensweise soll nachfolgend anhand der exemplarisch gewählten und zu Erläuterungszwecken vereinfachten Signaltabellen und Zeitablaufdiagramme der Fig. 3a, 3b und 4 erläutert werden.
So entspricht etwa der Signal-Pegelverlauf „Y-Wert" der Fig. 3b, aufgetragen über der Zeit (als X-Wert und entsprechend einem vollständigen Umlauf des Tubenkopfes (Kappe) 16) einem typischen Signalverlauf, wie er bei einer Kappe der in Fig. 7 gezeigten Art auftritt: Der Öffnungsabschnitt 21 erzeugt das Signalmaximum (Pegel V) zum Zeitpunkt 8; die außerhalb dieses Bereichs 21 lie- genden Messwerte weisen demgegenüber eine deutlich niedrigere Amplitude (Pegel zwischen 2 und 4V) auf.
Der Signalverlauf der Fig. 3a, im vorliegenden Fall herangezogen als Referenz- Signalverlauf und gewonnen durch das Abtasten eines Referenzmusters (bzw. eines idealisierten und in seiner Drehposition bekannten Körpers) entspricht im vorliegenden Fall im Hinblick auf den Pegelverlauf exakt dem Signalverlauf der Fig. 3b, lediglich verschoben um sechs Zeitwerte (d.h. das Amplitudenmaximum des Y-Werts in Fig. 3a liegt zum Zeitpunkt t = 2, damit sechs Zeiteinheiten vor dem tatsächlich gemessenen Wert der Fig. 3b).
In erfindungsgemäß günstiger Weise wird nunmehr auf die in der gezeigten Weise numerisch vorliegenden (da von der Sensoreinheit 18 gewonnen und geeignet quantifizierten) Daten eine Korrelationsrechnung nach dem Ansatz der sogenannten diskreten Korrelation durchgeführt, wobei für jeden der Zeitpunkte n = 0 bis 10 ein Korrelationskoeffizient r(n) wie folgt errechnet wird: r(n) = Σ x(m) y(m +n), summiert über m = - <χ bis +<χ hier: m = 1 bis 10 (Anzahl der Messwerte) wobei n = 0...9, entsprechend den Zeitpunkten 1 bis 10 (Fig. 3a bzw. 3b) und x() die erste Messreihe (etwa entsprechend Fig. 3a) und y() die zweite
Messreihe (Fig. 3b) darstellen.
Diese Korrelationsrechnung ergibt die in Fig. 4 tabellarisch für die Werte n = 0 bis n = 9 aufgelisteten Korrelationskoeffizienten sowie deren graphische Dar- Stellung.
Es zeigt sich, dass für n = 6 der Verlauf der Korrelationswerte (Fig. 4) ein deutlich erkennbares Maximum aufweist, mit der unmittelbar erkennbaren bzw. ablesbaren Bedeutung, dass (vgl. die Kurvenverläufe der Fig. 3a relativ zu Fig. 3b) die größte Übereinstimmung zwischen den Kurvenverläufen vorhanden ist, wenn die zu vergleichenden Kurven (Fig. 3a und 3b) um sechs Zeiteinheiten verschoben sind; die würde dann gerade zur Identität in diesem idealisierten Fall führen.
Insoweit bildet im vorliegenden Fall das erkennbare Korrelationsmaximum der Fig. 4 einen Hinweis darauf aus, wie mittels der Einheiten 12 bzw. 20 der Tubenkopf 16 relativ zum fixen Tubenkörper 14 zu verdrehen ist, um die gewünschte Drehpositionierung zu erhalten.
Die gezeigte Beispielrechnung bzw. die oben angegebene Formel ist dabei als lediglich exemplarisch zu betrachten; von der Erfindung umfasst sind sämtliche Verfahren zum Ermitteln einer Korrelation, welche den Grad der Übereinstimmung bzw. eines Zusammenhangs zwischen den zu vergleichenden Wertever- läufen (über den Zeitverlauf als stellvertretend für etwa eine vollständige Umdrehung) abbilden, wobei neben Korrelationsverfahren insbesondere auch sonstige Verfahren zur (komplexen) Mustererkennung, bezogen auf das Gesamtsignal oder ein Teilsignal, od. dgl. in Betracht kommen. Auch ist im vorliegenden Fall die Wertezahl 10 (als Auflösung für eine vollständige Umdrehung im dargestellten Zeitverlauf) als stark vereinfacht und exemplarisch zu betrachten; im bevorzugten Regelfall dürften mindestens 100 Einzelwerte um einen Tubenkopfumfang herum zu ermitteln und dann entsprechend zu korrelieren sein; bevorzugte Ausführungsformen setzen dabei eine Zeit von Einzelwerten > 200, ideal auch > 300 an, um eine möglichst genaue und fehler-unempfindliche Positionsermittlung zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang und unter Verweis auf die Beispiele 5a und 5b wird verdeutlicht, wie stark die Fehlertoleranz der vorliegenden Vorgehensweise zur Ermittlung eines rotatorischen Positionsversatzes mittels Korrelation der jeweili- gen Signalverläufe ist: In Fig. 5a wurde dabei, und abweichend vom idealisierten Messwertverlauf der Fig. 3b, gezielt der fünfte und der neunte Messwert (entsprechend den Zeitpunkten 5 und 9) verfälscht (die Messreihe 1 entspricht insoweit nach wie vor dem idealisierten Werteverlauf Y-Wert in Fig. 3b), wobei die zugehörige Graphik den Verlauf des Korrelationswertes r(n), analog zu Fig. 4, anzeigt. Es ergibt sich, dass selbst bei diesen zwei deutlich vom idealisierten Verlauf abweichenden Werten an den Zeitpositionen 5 und 9 nach wie vor das Korrelationsmaximum zum Zeitpunkt 6 klar und eindeutig erkennbar ist, so dass selbst bei diesen problematischen Bedingungen eine eindeutige und korrekte Relativpositionierung der Ansteuerung der Einheit 12 erfolgt. Fehlerhaft wird diese Ermittlung erst, wenn, vgl. Fig. 5b, welche insoweit eine Toleranzgrenze aufzeigt, vier der zehn Messwerte (hier die Zeitposition 4, 5, 8, 10) deutlich von den idealen Messwerten abweichen. Die Erwartung besteht jedoch, dass im tatsächlichen Betrieb bei typischerweise mehr als 100, bevorzugt mehr als 300 quantifizierten Einzelwerten um den Tubenkopfumfang herum auch hier eine korrekte Ermittlung eines Korrelationsmaximums erfolgen kann.
Die obige Betrachtung verdeutlicht damit, dass selbst bei vergleichsweise ge- ringer (numerischer) Auflösung bzw. großen Messwertabweichungen die erfindungsgemäße Vorgehensweise mittels Korrelation zu guten Ergebnissen und insbesondere in der erfindungsgemäß vorteilhaften Weise zu einem hohen Ausmaß an Positionssicherheit und damit hoher Fertigungsqualität führt. Dabei ist, wie bereits erläutert, offensichtlich, dass eine Erhöhung der Einzelmessun- gen zwar einerseits den Verarbeitungsaufwand für die Korrelation vergrößert, andererseits jedoch eine weiter erhöhte Fehlertoleranz und Positionsgenauigkeit erzielt werden kann. Umgekehrt wird durch diese Betrachtung deutlich, dass etwa die aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 6 beschriebene Vorgehensweise mit den vorhandenen Schwächen signifikant verbessert wird und insoweit zu erwarten steht, dass mit der vorliegenden Erfindung die Montageprozesse zweier Tubenpartner, auch unter widrigen Bedingungen bzw. bei hohen Toleranzanforderungen, mit hoher Qualität durchgeführt werden können.
Während die vorbeschriebene erste Ausführungsform als Vorrichtung beschrie- ben wurde, ist es gleichermaßen als Darlegung eines erfindungsgemäß beanspruchten Verfahrens zu verstehen, wie durch Betreiben der Anordnung gemäß Fig. 1 eine Relativposition von Tubenkopf und Tubenkörper als aufeinander auszurichtende Partner erfolgt. Dabei ist, abweichend vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, die vorliegende Erfindung nicht auf das aktive Verdrehen des Tubenkopfes relativ zum (feststehenden) Tubenkörper beschränkt. Vielmehr ist es gleichermaßen von der vorliegenden Erfindung umfasst, in ansonsten bekannter und einfach zu realisierender Weise einen Tubenkopf vorbestimmt zu positionieren, den Tubenkörper in seiner Relativposition durch geeignete Sensormittel zu erfassen und zu bewegen und so ebenso die gewünschte, rotatorisch positionsgenaue Ausrichtung der Partner zueinander zu bewirken.
Dabei eignet sich etwa günstig eine auf einen Tubenkörper vorhandene Markierung für eine solche umlaufend-analoge Messung, ebenso wie etwa ein möglicherweise bereits vorhandenes Etikett od.dgl. Markierung, welche zum Ermitteln einer aktuellen Tubenposition erfasst und in der vorbeschriebenen Weise digitalisiert abgespeichert werden kann, um nachfolgend mit einem Referenzsignal korreliert zu werden.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur automatischen rotatorischen Ausrichtung eines Tubenkopfes (16) relativ zu einem bevorzugt feststehenden Tubenkörper (14), mit Sensormitteln (18) zum Erfassen einer aktuellen Drehposition des einen Positionsindikator (21) aufweisenden Tubenkopfes oder Tubenkörpers,
und mit den Sensormitteln zusammenwirkenden Positionierungsmitteln (12, 20), die zum Bewirken einer Drehbewegung des Tubenkopfes oder des Tubenkörpers als Reaktion auf ein Steuersignal einer Steuereinheit (22) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensormittel zum Erzeugen eines einer umlaufenden Drehbewegung des Tubenkopfes oder Tubenkörpers entsprechenden Erfassungssignals ausgebildet sind
und die Steuereinheit Mittel zum Korrelieren (24) des Erfassungssignals mit einem Referenzsignal und zum Erzeugen eines Steuersignals aus einem einem Grad der Korrelation entsprechenden Kennwert, insbesondere einem Korrelationsmaximum oder Korrelationsminimum, für die Positionierungsmittel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel einen optisch oder kapazitiv wirkenden Sensor und/oder einen Ultraschallsensor aufweisen und zum Erzeugen des Erfassungssignals über einen der umlaufenden Drehbewegung entsprechenden Zeitverlauf ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel zum Digitalisieren und nachfolgenden Speichern des Erfassungssignals als Abfolge quantifizierter Einzelsignale ausgebildet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel so ausgebildet sind, dass entlang des einer umlaufenden Drehbewegung des Tubenkopfes entsprechenden Zeitverlaufs mindestens 100, bevorzugt mindestens 300, Einzelsignale des Erfassungssignals als Grundlage für das Korrelieren erzeugt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Korrelieren zum bevorzugt numerischen Ermitteln einer Korrelationsfunktion des Erfassungssignals mit dem Referenzsignal sowie zum Ermitteln eines die Korrelation beschreibenden Kennwerts, insbesondere Funktionsmaximums oder Funktionsminimums, aus der Korrelationsfunktion ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass eine Position des Funktionsmaximums bzw. Funktionsminimums im Zeitverlauf das Steuersignal für die Drehbewegung des Tubenkopfes oder Tubenkörpers bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel zum Erzeugen des Referenzsignals mittels eines bevorzugt in einer vorbestimmten Drehposition vorgesehenen Referenzkörpers, insbesondere Referenz-Tubenkopfes, ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal als vorbestimmter Signalverlauf in elektronisch gespeicherter Form, insbesondere spezifisch für mindestens einen Tubenkopftyp, vorliegt.
Verfahren zum rotatorischen Ausrichten eines Tubenkopfes relativ zu einem Tubenkörper, insbesondere Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:
- Erfassen einer Drehposition des Tubenkopfes relativ zum Tubenkörper und - Durchführen einer Relativdrehung des Tubenkopfes zum Tubenkörper in Abhängigkeit von der erfassten Drehposition,
dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Drehposition das Erzeugen eines einer umlaufenden Drehbewegung des Tubenkopfes oder Tubenkörpers entsprechenden analogen oder digitalen Erfassungssignals über einen der umlaufenden Drehbewegung entsprechenden Zeitverlauf aufweist,
das Erfassungssignal mit einem vorbestimmten Referenzsignal korreliert wird
und die Drehposition aus einem die Korrelationsbeschreibenden Kennwert, insbesondere Korrelationsmaximum oder Korrelationsminimum der Korrelation, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal mittels eines bevorzugt in einer vorbestimmten Drehposition vorgesehenen Referenzkörpers erzeugt und elektronisch abgelegt wird.
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